计算机在材料科学的应用.docxVIP

计算机在材料科学中的应用专业：复合材料与工程班级：复材1102姓名：王振磊学号：110690223指导老师：白咏梅2014年4月22日摘要:计算机网络技术在材料科学研究中的应用，阐述了材料科学研究领域中应用计算机的思路、方法、和原理。分析了计算机相关软件在新材料的设计、科学研究中的计算机模拟、材料的加工工艺及自动化控制等方面的广泛应用。关钮词:计算机技术;数据图像处理;材料科学;材料设计。1计算机在材料科学中的应用领域川1.1计算机用于新材料的设计材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料，按生产要求设计最佳的制备和加工方法。材料设计按照设计对象和所涉及的空间尺寸可分为电子层次、原子/分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的结构设计。材料设计主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术，使人们能将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来，用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策，为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法。1.2材料科学研究中的计算机模拟利用计算机对真实的系统进行模拟实验结果，指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程，包括合成、结构、性能制备和使用等。计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验。通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功， 还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做 详细的预测并提供方法。1.3材料与工艺过程的优化及自动控制材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞 速发展，微机和可编程控制器(PLc)在材料加工过 程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材料加工 过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动强度，更能 改善产品的质量和精度，提高产量。用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。例如在计算机对工艺过程的数学模型进行模拟 的基础上，可以用计算机对渗碳渗氮全过程进行控 制。在材料的制备中，可以对过程进行精确的控制， 例如材料表面处理(热处理)中的炉温控制等。计算 机技术和微电子技术、自动控制技术相结合，使工艺 设备、检测手段的准确性和精确度等大大提高。控 制技术也由最初的简单顺序控制发展到数学模型在 线控制和统计过程控制，由分散的个别控制发展到 计算机综合管理与控制，控制水平提高，可靠性得到充分保证。1.4计算机用于数据和图像处理材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据，借助计算机的存储设备，可以大量保存数据，并 对这些数据进行处理(计算、绘图，拟合分析)和快速 查询等。材料的性能与其凝聚态结构有密不可分的关系，其研究的手段之一就是光学显微镜和电子显微 镜技术，这些技术以二维图像方式表述材料的凝聚 态结构。利用计算机的图像处理和分析功能就可以 研究材料的结构，从图像中获取有用的结构信息，如晶体的大小，分布，聚集方式等，并将这些信息和材料性能建立相应的联系，用来指导结构的研究。2计算机的具体应用2.1材料科学研究中的数学模型建立和数值分析 数学模型建立是一种具有创新性的科学方法，它将现实问题简化，抽象为一个数学问题或数学模 型，再采用适当的数学方法求解，进而对现实问题进 行定量的分析和研究，最终达到解决实际问题的目 的。计算机技术的发展为数学模型的建立和求解提 供了新的舞台，极大地推动了数学向其他技术科学 的渗透。许多力学问题、物理问题人们已经得到了它应遵循的基本方程(微分方程)和相应的定解条件，但 很难通过精确的数学计算得出其解析解，而随着计算机技术的引人，采用数值分析方法来求解这类问 题己得到广泛的应用和发展。2.1.1有限差分法建立差分方程，用有限差分代替无限微分，以差 分代数方程代替微分方程，以数值计算代替数学推 导过程，从而将连续函数离散化，以有限的，离散的 数值代替连续的函数分布。计算机是实现上述离散 和计算的强大工具。2.1.2有限元法它是将连续的介质(材料)划分为许多微小的单元(有限个单元)，在确定其边界条件后对其进行单 元求解，从而获得整体介质的相关性能。有限元法 的实现必须通过计算机，利用计算机强大而快速的 数据计算、处理和存储能力进行有限元计算。主要是利用有限元软件进行分析，方法是先建立某个零件的几何模型，然后赋予其一定的材质(钢 材、木材等)(这些材质的力学等性能是己知的)，施 加载荷，然后根据其边界条件进行有限元分析。 有限元软件有很多，如:SAp(Struetu耐Anal”15肠脚m)。美国加J、H大 学伯克利分校的线性静、动力学结构分析程序。 NASTRAN(NASAStrueturalAnalysi。)，美国国家 航空和宇航局(NASA)的结